CN114023987B - 一种基于旋转套装锥面的风冷质子交换膜燃料电池单元组 - Google Patents

Abstract

本发明属于燃料电池领域，并具体公开了一种基于旋转套装锥面的风冷质子交换膜燃料电池单元组，其包括数个锥面单元体，所述锥面单元体沿侧边展开为扇形，其包括膜电极和位于该膜电极两侧的双极板，然后经卷制装配形成锥面；数个锥面单元体沿锥面中心轴同轴套叠，且均可绕锥面中心轴旋转，相邻锥面单元体间具有冷却空气流道。本发明针对传统质子交换膜燃料电池排水及温度控制困难的缺点，利用旋转离心力及特殊流道的将反应生成的液态水与反应区快速分离，并排出单元体，同时利用特殊结构调节空气流动温度，从而达到快速排水和温度控制的目的，提高电池堆的运行效益和可靠性。

Description

一种基于旋转套装锥面的风冷质子交换膜燃料电池单元组

技术领域

本发明属于燃料电池领域，更具体地，涉及一种基于旋转套装锥面的风冷质子交换膜燃料电池单元组。

背景技术

公知的质子交换膜燃料电池单元基本结构主要依次由层叠的极板、气体扩散层、催化层、质子交换膜、催化层、气体扩散层、极板组成。气体扩散层是由导电材料制成的多孔合成物，起着支撑催化层、收集电流的作用，为电化学反应提供电子通道、气体通道和排水通道，气体扩散层和催化层一起构成了电极。

实际的质子交换膜燃料电池由多个单体电池(电池单元体)以串联方式组合而成。电池单元的核心组件是膜电极三合一组件和双极板。膜电极三合一组件通常是将两张喷涂有Pt催化剂的碳纤维纸电极分别置于经预处理的质子交换膜两侧压制而成。双极板常用石墨板或者金属材料制作，具有高密度、高强度，无穿孔性漏气，在高压强下无变形，导电、导热性能优良，与电极相容性好等特点。常用的双极板厚度约2～3.7mm，两侧加工出一定形状的导流槽及通道，其流道设计和加工工艺与电池性能密切相关。

将双极板与膜电极三合一组件交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固，即构成质子交换膜燃料电池电堆。叠合压紧时应确保气体主通道对正以便氢气和氧气能顺利通达每一电池单元。电堆工作时，氢气和氧气分别由进口引入，经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板，经双极板导流均匀分配至电极，通过多孔电极与催化剂接触进行电化学反应。

阳极反应气体一般是氢气，阴极反应气体一般是氧气，实际应用中通常以空气供应阴极。氢分子会在阳极的催化剂作用下离解为电子和氢离子，也即质子。氢离子可以穿过质子交换膜到达阴极，电子则可以通过与电极相接的导线从阳极流过负载再到达阴极而形成电流。在阴极，氧分子、氢离子和电子结合，放出热量，产生水。

在大功率的质子交换膜燃料电池中，化学反应放出的热量不可忽略，因此通常需在双极板内设有冷却管道带走热量；另一方面，在低温环境下，催化剂的活性降低，甚至令燃料电池难以启动。研究表明，质子交换膜燃料电池有一最佳运行温度区间，在此温度区间，输出功率可达最优值。

质子交换膜需要在适度润湿的情况下才能保持良好的质子传导能力，若水分不足，会使得质子交换膜过分干燥，增大了质子交换膜燃料电池的等效内阻；而过多的水分会导致电极被水浸润，使得反应气体无法渗入，这时需要质子交换膜燃料电池内部过多的水分可以被及时排出。为解决上述问题，通常所采用的方法是对双极板流场导流槽的样式加以改进，利于气态水的渗入和液态水的排出，如丰田公司的Mirai燃料电池单元体，然而以上措施对改善流场所能起到的效果是有限的，且工艺较为复杂。又有专利CN101262071A提供了一种旋盘式质子交换膜燃料电池，其采用了旋转的方式，但其离心力只在于对喷入的雾滴进行控制，且采用的是圆盘结构，此结构下扩散层的液态水将沿着扩散层本身在离心力的作用下流动(因离心力方向与扩散层布置方向一致)，将导致半径较大的外侧扩散层和反应区被液态水淹没，无法起到液态水与反应区分离的效果。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于旋转套装锥面的风冷质子交换膜燃料电池单元组，其目的在于，使风冷质子交换膜燃料电池中的液态水快速、可控排出，并调控其反应温度，实现电池的安全高效运行。

为实现上述目的，本发明提出了一种基于旋转套装锥面的风冷质子交换膜燃料电池单元组，包括数个锥面单元体，所述锥面单元体沿侧边展开为扇形，其包括膜电极和位于该膜电极两侧的双极板，然后经卷制装配形成锥面；数个锥面单元体沿锥面中心轴同轴套叠，且均可绕锥面中心轴旋转，相邻锥面单元体间具有冷却空气流道。

作为进一步优选的，相邻锥面单元体间固定有分隔条。

作为进一步优选的，所述膜电极中质子交换膜的锥面母线与所述锥面中心轴的夹角为45°～80°。

作为进一步优选的，两侧双极板上均设置有多条长短不一的侧壁，侧壁的间隙形成流体通道；侧壁的数量随锥面单元体锥面半径的增大而增多，侧壁的高度随锥面单元体锥面半径的增大而减小，使锥面单元体形成一个锥面小半径端较厚、大半径端的较薄的双夹层复合体。

作为进一步优选的，靠近锥面外侧的侧壁为氧气区侧壁，该氧气区侧壁形成的流体通道用于通入氧气或空气；靠近锥面内侧的侧壁为氢气区侧壁，该氢气区侧壁形成的流体通道用于通入氢气。

作为进一步优选的，所述氧气区侧壁上开设有导流槽，导流槽方向与锥面中心轴垂直。

作为进一步优选的，所述导流槽的宽度为0.2mm～0.8mm。

作为进一步优选的，锥面中心轴处安装有轴流风机，该轴流风机用于增加锥面单元体中的气体流动。

作为进一步优选的，反应气体从锥面小半径端进入锥面单元体内。

作为进一步优选的，套叠的数个锥面单元体外设有可封闭的绝热罩，电池启动时，通过该空气罩封闭锥面单元体周围流动的空气环境。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明将膜电极和双极板组成的单元体卷制为锥面，且可绕中心轴转动，使离心力的方向与扩散层布置方向形成夹角，有利于液态水与扩散层的分离。具体利用电池单元组的旋转既可以用于控制排水也可以驱动通风冷却，在监控装置的辅助下，可以根据具体需要增加或者减小旋转速度，即利用旋转离心力可将液态水快速、可控排出，并可通过通风控制其反应温度，从而达到快速排水和温度控制的目的。

2.相邻单元体之间采用带一定曲率的分隔条支撑，分隔条也可以起到导流的作用，同时在整个电池堆运转时，锥面单元体旋转，分隔条会迫使单元体之间的空气进行离心流动，从而将正常运行的单元体内部反应热带出。

3.将单元体锥面与旋转中心轴线的夹角设定在45°～80°之间，角度大一些有利于提高单元组的紧凑度，但是由于离心力方向和液态水流动方向比较接近，不利于扩散层与液态水的分离；而角度太小，单元体结构趋于圆筒状，不适于套装提高紧凑度。

4.电池中两侧的反应气体流道由电极上的多条长短不一的条状侧壁分隔，侧壁也同时起到支撑作用；由于大半径一端到另一端过程中由于半径逐渐减小，因此所需侧壁数量逐渐减少，进而为了保证反应气体流动通道体积保持稳定，使大半径处通道的高度小于小半径处通道的高度。

5.在氧气侧流道侧壁设计有细小导流槽，导流槽方向为半径方向，与旋转轴心线垂直，利于液态水的快速汇集排出。

6.当单元体之间布置的分隔条气动力较弱时，可以在整个电池组一侧安装轴流风扇辅助增加流量或其它加压方式增加流动。

7.当电池堆在低温环境中时，由于温度较低，反应速率降低，甚者单元体将难以启动，此时可通过可封闭的绝热罩封闭流动的空气环境，利用鼓风效应使流动空气逐渐提高单元体的温度，为单元体低温启动提供热量。

附图说明

图1为本发明实施例基于旋转套装锥面的风冷质子交换膜燃料电池单元组结构示意图；

图2中(a)、(b)为本发明实施例锥面单元体端部流道和侧壁结构示意图；

图3中(a)、(b)为本发明实施例锥面单元体安装角度和导流槽示意图；

图4中(a)、(b)为本发明实施例锥面单元体展开和侧壁布置示意图；

图5为本发明实施例锥面单元体展开及分隔条布置示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-氧气区，2-氢气区，3-分隔条，4-氧气区侧壁，5-氢气区侧壁，6-导流槽，7-轴流风机，8-通风入口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供的一种基于旋转套装锥面的风冷质子交换膜燃料电池单元组，如图1所示，包括数个锥面单元体，所述锥面单元体包括由电极夹叠质子交换膜组成的膜电极，和分别置于膜电极两侧的双极板；膜电极和双极板在组装之前均加工成扇形，然后经卷制装配形成锥面。数个锥面单元体沿锥面中心轴同轴套叠，且均可绕锥面中心轴旋转，相邻锥面单元体间具有冷却空气流道。

具体的，两侧双极板上均设置有多条长短不一的侧壁，侧壁一方面分割流道，另一方面起到支撑夹层的作用，如图2所示。由于单元体大半径一端到另一端过程中半径逐渐减小，因此所需侧壁数量逐渐减少，如图4所示，即侧壁的数量随锥面单元体锥面半径的增大而增多，同时侧壁的高度随锥面单元体锥面半径的增大而减小，从而保证反应气体流动通道体积保持稳定。

进一步的，如图3所示，质子交换膜的锥面母线与锥面中心轴夹角a优选为45°～80°，质子交换膜两侧的电极锥面母线与锥面中心轴夹角分别大于和小于该角度，形成一个锥面的小半径端较厚，大半径端的较薄的双夹层复合体，各层以一定方式紧固密封，保证不同夹层之间内介质不发生渗漏。

具体的，靠近锥面外侧的侧壁为氧气区侧壁4，该氧气区侧壁4形成的流体通道用于通入氧气或空气，形成氧气区1；靠近锥面内侧的侧壁为氢气区侧壁5，该氢气区侧壁5形成的流体通道用于通入氢气，形成氢气区2。通风入口8设置在锥形面的半径较小一侧端部，反应气体(即上述氧气、空气、氢气)从通风入口8进入锥面单元体内，并从大半径端流出。反应后生成的液态水从小半径端流向大半径端方向，适应离心力和液态水汇聚流动的特点，而不至于堵塞流动通道。

进一步的，如图3所示，所述氧气区侧壁上开设有导流槽6，导流槽6方向为半径方向，与锥面中心轴垂直，利于液态水的快速汇集排出，导流槽的宽度优选为0.2mm～0.8mm。

具体的，相邻单元体之间形成空气流道，冷却空气由大半径处两单元之间全环形间隙进入，从单元小半径处端部环形间隙的部分弧段流出；如图5所示，各夹层在加工为扇形后，需将两侧沿半径进行适当剪切，再经卷制装配后形成小半径处有开口的不完整锥面，以便于冷却空气流出。

进一步的，相邻单元体之间采用带一定曲率的分隔条3支撑，分隔条3也可以起到导流的作用，同时在整个电池堆运转时，分隔条3也会迫使单元体之间的空气进行离心流动，将反应热带出单元体外。当单元体之间布置的分隔条导致的离心气动力较弱时，在整个电池组一侧安装轴流风机7进行辅助增加流量，或者其它增压方式增加流量。携带热量排出的空气可以散失在外界环境中，也可以通过某种方式利用起来，提高整个电池堆的热效率。此外，当电池堆在低温环境中时，由于温度较低，反应速率降低，甚者单元体将难以启动，此时可以封闭流动的空气环境，利用鼓风效应逐渐提高单元体的温度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于旋转套装锥面的风冷质子交换膜燃料电池单元组，其特征在于，包括数个锥面单元体，所述锥面单元体沿侧边展开为扇形，其包括膜电极和位于该膜电极两侧的双极板，然后经卷制装配形成锥面；数个锥面单元体沿锥面中心轴同轴套叠，且均可绕锥面中心轴旋转；所述膜电极中质子交换膜的锥面母线与所述锥面中心轴的夹角为45°~80°；相邻锥面单元体间具有冷却空气流道，相邻锥面单元体间固定有带曲率的分隔条。

2.如权利要求1所述的基于旋转套装锥面的风冷质子交换膜燃料电池单元组，其特征在于，两侧双极板上均设置有多条长短不一的侧壁，侧壁的间隙形成流体通道；侧壁的数量随锥面单元体锥面半径的增大而增多，侧壁的高度随锥面单元体锥面半径的增大而减小，使锥面单元体形成一个锥面小半径端较厚、大半径端的较薄的双夹层复合体。

3.如权利要求2所述的基于旋转套装锥面的风冷质子交换膜燃料电池单元组，其特征在于，靠近锥面外侧的侧壁为氧气区侧壁，该氧气区侧壁形成的流体通道用于通入氧气或空气；靠近锥面内侧的侧壁为氢气区侧壁，该氢气区侧壁形成的流体通道用于通入氢气。

4.如权利要求3所述的基于旋转套装锥面的风冷质子交换膜燃料电池单元组，其特征在于，所述氧气区侧壁上开设有导流槽，导流槽方向与锥面中心轴垂直。

5.如权利要求4所述的基于旋转套装锥面的风冷质子交换膜燃料电池单元组，其特征在于，所述导流槽的宽度为0.2mm ~0.8mm。

6.如权利要求1所述的基于旋转套装锥面的风冷质子交换膜燃料电池单元组，其特征在于，锥面中心轴处安装有轴流风机，该轴流风机用于增加锥面单元体中的气体流动。

7.如权利要求1所述的基于旋转套装锥面的风冷质子交换膜燃料电池单元组，其特征在于，反应气体从锥面小半径端进入锥面单元体内。

8.如权利要求1-7任一项所述的基于旋转套装锥面的风冷质子交换膜燃料电池单元组，其特征在于，套叠的数个锥面单元体外设有可封闭的绝热罩，电池启动时，通过空气罩封闭锥面单元体周围流动的空气环境。